CN110579276B - 一种光照度检测装置、方法及物联网终端设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光照度检测装置、方法及物联网终端设备，通过特定的负载电路与太阳能板相连，通过微控制芯片采集太阳能板的输出数据，对采集到的数据做相应的处理后得到对应的光照度值，具备电路自动切换控制、数据处理能力，能够与系统内的其他电路共同使用太阳能板，且不互相会造成影响，简化终端设备的结构设计，充分利用系统资源，节约硬件成本，同时其精确度也满足光照度要求。本发明所采用的太阳能板，采集电路，微控制芯片等集成度高，占用空间小，耗电量极低，能够满足物联网设备中低功耗的要求。
Description
技术领域
本发明涉及物联网的技术领域，具体涉及一种光照度检测装置、方法及物联网终端设备。
背景技术
科技进步、材料学科的快速发展，使得光照度检测技术也更加先进。同时，人们对环境的关注度逐渐提高，各种环境检测技术也被应用到现实生活中，物联网技术的快速发展，使得各种传感器应用场景进一步扩大，环境监测逐渐变得无处不在。光照度作为环境检测中不可缺少的一环，与之相关的研究方法和检测技术同样受到科技与研发人员的关注，与之相关的测量技术和研究方法也纷纷涌现出来。传统光照度度检测一般采用光敏元器件或材料，利用光敏材料的感光特性测量出光照度范围。在某些光伏发电的系统中，光敏器件与光伏发电设备工作机制具有一定的相似性，因此也可以使用光伏发电系统获取光照度参数，取代专门的光照度检测器件和电路，从而减少系统复杂度，并进一步节约成本。进入物联网时代，物联网终端高集成度，超低功耗的特性，使得在某些场景下，无法继续使用传统的光照度检测技术，新的光照度检测方法和技术逐渐出现。
现有技术通过测量太阳能板最大功率点电流、短路电流、温度等参数，得到太阳能组件发电功率电流与光照度对应关系，从而获取光照度值。这种技术一般应用在如光伏发电厂等大型的光伏发电设备和场景中，系统本身需要较大的安装空间，灵活性差，不能满足物联网场景中终端小型化和便携移动的要求。用于检测太阳能组件短路电流及最大功率点电流的过程复杂，需要额外的检测装置，系统集成度低、组件多、安装复杂、成本比较高。
另外，现有技术方案不具备低功耗的能力，无法满足物联网终端设备的长时间待机需求。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种光照度检测装置、方法、物联网终端设备。本发明利用采集装置、设备，检测并获取太阳能组件上的运行参数，获取的参数经过一定处理转化后得到太阳能组件的照度，无需增加光照度度检测硬件。本发明方案的测量方法需要借助于其他装置如采集单元、计算机可读介质、终端设备等，完成光照度的测量，获取太阳能组件本身的光照度参数，能够提高太阳能组件的发电效率，避免资源的浪费与不合理利用。
本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种光照度检测装置，所述电路用于光照度检测，其包括：低功耗主控电路、太阳能电池板、光照度检测电路、能源采集电路、内部储能电路、功能切换电路。所述低功耗主控电路，用于实现模数转换电路采集、数据处理及通信；所述太阳能电池板与负载连接，用于提供能量来源。
所述光照度检测电路与所述太阳能电池板、低功耗主控电路、功能切换电路相连，用于实现光照强度到电压、电流的转换；所述能源采集电路与太阳能电池板、光照度检测电路相连，用于实现能源采集；所述功能切换电路与所述能源采集电路、功能切换电路及低功耗主控电路相连，受低功耗主控电路控制，用于实现能源采集电路与光照度检测电路之间的切换功能；所述内部储能电路用于实现对采集到的电能储存。
其中，所述低功耗主控电路用于数据处理具体包括计算负载功率，根据所述负载功率计算获得光照度值。
另外，本发明还提供了一种光照度检测方法，所述方法包括：
所述低功耗主控电路发送指令至功能切换电路，关闭能源采集电路开关并开启光照度检测电路，此时所述太阳能电池板仅作用在光照度检测电路的负载上，所述低功耗主控电路读取光照度检测电路的电压值，计算负载功率，根据所述负载功率计算获得光照度值。
其中，所述低功耗主控电路读取光照度检测电路的电压值为通过其自带的模数转换电路实现。
其中，所述负载功率计算公式为P＝U2/R，U为模数转换电路测量到的负载电压值，R为固定负载阻值，P为负载功率。
另外，本发明还提供了一种物联网终端设备，所述终端设备包括光照度检测装置，读取光照度值提供给所述终端设备处理。
本发明提供了一种光照度检测装置、方法及物联网终端设备，通过特定的负载电路与太阳能板相连，通过微控制芯片采集太阳能板的输出数据，对采集到的数据做相应的处理后得到对应的光照度值，具备电路自动切换控制、数据处理能力，能够与系统内的其他电路共同使用太阳能板，且不互相会造成影响，简化终端设备的结构设计，充分利用系统资源，节约硬件成本，同时其精确度也满足光照度要求。本发明所采用的太阳能板，采集电路，微控制芯片等集成度高，占用空间小，耗电量极低，能够满足物联网设备中低功耗的要求。
附图说明
图1是本发明的光照度检测装置结构示意图；
图2是本发明的光照度检测方法流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
现有技术通过测量太阳能板最大功率点电流、短路电流、温度等参数，得到太阳能组件发电功率电流与光照度对应关系，从而获取光照度值。这种技术一般应用在如光伏发电厂等大型的光伏发电设备和场景中，系统本身需要较大的安装空间，灵活性差，不能满足物联网场景中终端小型化和便携移动的要求。用于检测太阳能组件短路电流及最大功率点电流的过程复杂，需要额外的检测装置，系统集成度低、组件多、安装复杂、成本比较高。最后，现有技术方案不具备低功耗的能力，无法满足物联网终端设备的长时间待机需求。
本发明的目的是实现一种集成度高的光照度检测装置、方法及终端设备。在物联网终端设备具备分布广、数量多、高集成度、低功耗的特点。一颗专用的光照度传感元器件，不仅会增加系统设计的复杂度、增加耗电，同时其本身也具备一定的价格成本。如何充分利用太阳能板的放电特性参数，在不增加额外光照度检测元件的的情况下，实现光照度检测，是本发明的主要目的。因此，本发明提出了一种利用太阳能板检测光照度的检测装置、方法及终端设备，实现了在户外小型终端上利用太阳能板发电装置进行光照度的检测。本发明通过特定的负载电路与太阳能板相连，通过微控制芯片采集太阳能板的输出数据，对采集到的数据做相应的处理后得到对应的光照度值。本发明光照度检测可以与系统设计中的其他电路同时工作，不会影响太阳能板的能源采集、储能和系统的其他功能。
本发明提出了一种光照度检测装置，结构示意图如附图1所示，所述电路用于光照度检测，其包括：低功耗主控电路1、太阳能电池板2、光照度检测电路3、能源采集电路4、内部储能电路、功能切换电路。
能源采集电路和内部储能电路主要用于为系统正常工作提供可高的能源，它们可以收集并处理来自太阳能板上光电转换形成的电能，并将这部分电能高效率的储存到内部储能器件中。
所述低功耗主控电路1，用于实现模数转换电路采集、数据处理及通信；所述太阳能电池板与负载连接，用于提供能量来源。
该负载电路与太阳能板相连，通过微控制芯片采集太阳能板的输出数据，对采集到的数据做相应的处理后得到对应的光照度值。
所述光照度检测电3路与所述太阳能电池板2、低功耗主控电路1、功能切换电路相连，用于实现光照强度到电压、电流的转换。
所述能源采集电路4与太阳能电池板2、光照度检测电路3相连，用于实现能源采集。
所述功能切换电路与所述能源采集电路、功能切换电路及低功耗主控电路1相连，受低功耗主控电路1控制。
用于实现能源采集电路4与光照度检测电路3之间的切换功能；所述内部储能电路用于实现对采集到的电能储存；
本发明实现的原理在于：太阳能电池中PN结在光照时，P型半导体一侧空穴数量增加形成正极，N型半导体一侧电子数量增加形成负极。随着光照强度的变化，P、N两端的空穴和电子数量也跟着变化，当光照强度一定时，PN两端不再变化，便形成了稳定的电动势。此时太阳能电池处于开路状态，其两端的开路电压与光照强度呈现为非线性关系。同时此时太阳能电池的短路电流与光照强度基本呈线性关系。太阳能电池可以类比为一颗可变内阻电源，但相比于普通电池，太阳能电池的特性受到其他特性的影响比较明显，太阳能电池的内阻在不同的光照强度、温度下也会呈现出非线性变化趋势。
在实际应用中，由于太阳能电池板承担着系统持续供电的工作，无法直接去测量它的开路电压或电流。
太阳能电池的输出功率：Pmax＝E2*R/(R+r)2，满足一般电源输出特性。
其中Pmax为最大输出功率，E为电池电动势，R为负载电阻，r为太阳能电池内阻。
太阳能电池的电动势E以及内阻r都与关照强度呈一定的非线性变化关系，因此可推断出太阳能板输出功率P与光照度之间也存在一定的拟合关系。通过太阳能电池输出功率的另一个计算公式：P＝U2/R；可知，当负载R一定时，只要测量出固定负载两端电压U值，便可以计算得到太阳能电池的输出功率变化，从而进一步拟合出对应的功率与光照度变化关系。
实际测量时，首先由低功耗主控电路发出指令到功能切换电路，关闭能源采集电路开关，以避免能源采集电路对光照度检测电路产生影响。然后再由低功耗主控电路发出指令给功能切换电路，打开光照度检测电路开关。此时太阳能电池板仅作用在光照度检测电路的负载上，低功耗主控电路通过自身ADC读取到光照度检测电路上的电压值后可计算出负载功率，通过进一步计算可以得到相应的光照度值。
负载功率计算公式：P＝U2/R；其中U为ADC测量到的负载电压值，R为固定负载阻值，P为负载功率。
另外，本发明还提供了一种光照度检测方法，基于上述光照度检测装置实现，方法流程如附图2所示，所述方法包括：所述低功耗主控电路发送指令至功能切换电路，关闭能源采集电路开关并开启光照度检测电路，此时所述太阳能电池板仅作用在光照度检测电路的负载上，所述低功耗主控电路读取光照度检测电路的电压值，计算负载功率，根据所述负载功率计算获得光照度值，低功耗主控电路发送指令，功能切换电路切换到能源采集电路继续采集能源。
在一个物联网终端设备中，继承了多种控制、传感、通信等模块。每个模块都包含相应的电路，模块、电路之间相互关联，协调工作，可以实现终端控制、采集、数据传输的多重好功能。本发明应用在农业灌溉领域，作为终端电路的整体或一部分，实现光照度数据采集功能，为终端系统的其他功能提供有效的参考数据。一方面终端的灌溉控制功能可以参照电路中获取的光照度值，来半段当前的光照强度是否适合灌溉，从而决定是否需要打开或关闭受控制的水阀或电磁阀设备。另一方面，获取到的光照度值可以作为环境检测的一项数据，来指导农业灌溉或种植当中的其他工作。
低功耗主控电路作为系统的控制核心，完成系统控制，数据采集功能、数据处理与计算功能、无线数据传输等功能。太阳能电池板为小型太阳能电池板，尺寸可以为8cm*8cm。太阳能板产生的电量，一方面通过能源采集电路和内部储能电路储存到系统的储能元器件中。另一方面可以在系统需要获取光照度参数时，作为一个感光器件，为系统采集ADC提供电压数据。光照度检测电路包含一个可控的电路切换开关、两颗固定负载电阻R1和R2，其中R1为150欧姆，R2为49.9欧姆。当系统需要获取光照度参数时，首先会关闭太阳能板的能源采集功能，并使之作为感光器件使用，然后通过ADC读取太阳能板在一定光照条件下输出的电压值，进一步获取光照度数据。
另外，本发明还提供了一种物联网终端设备，所述物联网终端设备包括光照度检测装置，读取光照度值提供给所述物联网终端设备处理。
物联网终端设备可以嵌入使用光照度检测装置，获取光照度值用于数据处理。
本发明具有以下优点：1、仅需一块太阳能电池板，不需要额外的光敏元器件，即可实现光照度检测功能；2、电路具备自动切换电路的功能，光照度检测与系统内的其他功能电路共享太阳能电池板资源，可以同时工作；3、电路集成度高，具备一数据、传输处理能力；电路功耗极低，可满足长时间待机需求；4、使用小型太阳能电池板和其他电路元器件，结构简化，集成度、便携度高，方便安装移动。
本发明可直接采集太阳能板数据获取光照度值，避免额外光敏器件，节约成本，可使系统设计集成度大大提高、做到小型化、灵活应用、便携安装，轻松满足各种场景光照度检测需求，具备自动切换与数据处理能力，并且可以实现数据的物联网传输，光照度检测时无需人员亲自到现场，功耗极低，可满足长时间待机需求，减少光照度检测系统工作时的用电负担，电路复杂度低、集成度高，可方便嵌入到其他小型化设备中。
本发明提供了一种光照度检测装置、方法及物联网终端设备，通过特定的负载电路与太阳能板相连，通过微控制芯片采集太阳能板的输出数据，对采集到的数据做相应的处理后得到对应的光照度值，具备电路自动切换控制、数据处理能力，能够与系统内的其他电路共同使用太阳能板，且不互相会造成影响，简化终端设备的结构设计，充分利用系统资源，节约硬件成本，同时其精确度也满足光照度要求。本发明所采用的太阳能板，采集电路，微控制芯片等集成度高，占用空间小，耗电量极低，能够满足物联网设备中低功耗的要求。
上述本发明的实施方式是本发明的元件和特征的组合。除非另外提及，否则所述元件或特征可被视为选择性的。各个元件或特征可在不与其它元件或特征组合的情况下实践。另外，本发明的实施方式可通过组合部分元件和/或特征来构造。本发明的实施方式中所描述的操作顺序可重新排列。任一实施方式的一些构造可被包括在另一实施方式中，并且可用另一实施方式的对应构造代替。对于本领域技术人员而言明显的是，所附权利要求中彼此没有明确引用关系的权利要求可组合成本发明的实施方式，或者可在提交本发明之后的修改中作为新的权利要求包括。
在固件或软件配置方式中，本发明的实施方式可以模块、过程、功能等形式实现。软件代码可存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元位于处理器的内部或外部，并可经由各种己知手段向处理器发送数据以及从处理器接收数据。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种光照度检测装置，其特征在于，包括：
低功耗主控电路、太阳能电池板、光照度检测电路、能源采集电路、内部储能电路、功能切换电路；所述低功耗主控电路，用于实现模数转换电路采集、数据处理及通信；所述太阳能电池板与负载连接，用于提供能量来源；所述低功耗主控电路用于数据处理具体包括：计算负载功率，根据所述负载功率计算获得光照度值；所述低功耗主控电路读取光照度检测电路的电压值为通过其自带的模数转换电路实现；
所述光照度检测电路与所述太阳能电池板、低功耗主控电路、功能切换电路相连，用于实现光照强度到电压、电流的转换；所述能源采集电路与太阳能电池板、光照度检测电路相连，用于实现能源采集；所述功能切换电路与所述能源采集电路、功能切换电路及低功耗主控电路相连，受低功耗主控电路控制，用于实现能源采集电路与光照度检测电路之间的切换功能；所述内部储能电路用于实现对采集到的电能储存。
2.一种基于权利要求1所述装置的光照度检测方法，其特征在于：包括：所述低功耗主控电路发送指令至功能切换电路，关闭能源采集电路开关并开启光照度检测电路，此时所述太阳能电池板仅作用在光照度检测电路的负载上，所述低功耗主控电路读取光照度检测电路的电压值，计算负载功率，根据所述负载功率计算获得光照度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述负载功率计算公式为，U为模数转换电路测量到的负载电压值，R为固定负载阻值，P为负载功率。
4.一种物联网终端设备，其特征在于，所述物联网终端设备包括如权利要求1所述的光照度检测装置，读取光照度值提供给所述终端设备处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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